CN108079746B - 一种快速自发分层的co2富集型两相吸收剂 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种快速自发分层的CO2富集型两相吸收剂，按质量分数计，包括30‑60％分相剂，15‑35％富集剂，0‑25％促进剂，余量为水；所述富集剂选自乙醇胺、羟乙基乙二胺、3‑氨基‑1‑丙醇、N‑甲基‑2‑羟基乙胺、乙基羟乙胺、异丙醇胺中的一种或几种。该两相吸收剂有效地缩短了两相吸收剂的自发分相时间，同时增大了两相吸收剂自发形成液液两相的分相负荷范围。
Description
技术领域
本发明属于烟气CO2捕集技术领域，具体涉及一种快速自发分层的CO2富集型两相吸收剂。
背景技术
经济急速地发展导致对能源的需求越来越大，大量CO2排放引起温室效应，加剧全球气候变化，给人类生存造成极大威胁。化石燃料消耗造成的CO2排放占总排放量的90％以上，其中电力行业是最主要的排放源头，因此CO2减排的重点是控制燃煤电厂烟气CO2排放。
目前燃煤电厂烟气CO2捕集主要有三种技术路线：燃烧前捕集、富氧燃烧和燃烧后捕集，其中燃烧后捕集CO2技术适应性广，更易于直接应用于现有电厂。基于乙醇胺(MEA)的化学吸收法是目前最成熟广泛的燃烧后捕集技术，已建有商业运行示范工程。但MEA吸收剂(20-30wt.％)的吸收容量小、腐蚀和胺降解严重，且高含水量(70％-80％)导致富液相CO2浓度较低，再生过程中消耗大量热用于水的蒸发和升温，增加再生能耗，造成MEA工艺投资成本高和运行能耗高，极大限制了该技术的大规模应用。
近年来提出的液液两相吸收剂，在吸收CO2后自发形成液液两层液相，且吸收CO2的富集在下层，仅需将下层液相再生，能够实现大幅度地提高吸收剂的CO2负荷、降低蒸发潜热和升温显热能耗，实现低能耗CO2捕集，有望应用于大规模燃煤电厂烟气中CO2捕集。
中国发明专利(CN 103826723 A)公开了胺吸收剂DIPAE/MAPA、 DIPAE/DAB、N-TBDEA/DiAP、DEEA/DMPDA，吸收CO2后形成两相，仅 CO2富集相送去解吸塔，减少了解吸溶液量，降低再生能耗，但组成该吸收剂的胺挥发性和腐蚀性较高，且价格昂贵，不易合成。
Xu等人(Z.Xu et al.International Journal of Greenhouse Gas Control 16(2013)107-115)提出4mol/L的DEEA与2mol/L的BDA混合胺吸收CO2后形成两相，下层液相负荷比MEA(5mol/L，30wt.％)高。相比含有羟基的一级烷醇胺(如MEA，AEEA等)，烷烃胺(如MAPA、BDA等)腐蚀性和挥发性极大、吸收速率较低。
中国发明专利(CN 105536437 A)提出了三级烷醇胺MDEA与醇类的混合溶剂，在吸收CO2后形成液液两相，该专利的实施例中上、下层液相体积比为0.59:1-3.89:1，CO2负载富集在下层液相，但该吸收剂主体是三级烷醇胺 MDEA，对于燃煤烟气的低CO2分压气氛条件，吸收速率极慢。
以上公开的有关两相吸收剂在吸收CO2后液相的上下层分相时间过长，分相时间是影响分相器设计的最重要参数，时间越长，设备需要的体积越大，投资越高。此外，现有的两相吸收剂自发形成液液两相的分相负荷范围较小，使用受到限制。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种快速自发分层的CO2富集型两相吸收剂，有效地缩短了两相吸收剂的自发分相时间，同时增大了两相吸收剂自发形成液液两相的分相负荷范围。
本发明所提供的技术方案为：
一种快速自发分层的CO2富集型两相吸收剂，按质量分数计，包括30-60％分相剂，15-35％富集剂，0-25％促进剂，余量为水；
所述富集剂选自乙醇胺、羟乙基乙二胺、3-氨基-1-丙醇、N-甲基-2-羟基乙胺、乙基羟乙胺、异丙醇胺中的一种或几种。
上述技术方案中，由于所使用的富集剂为2-4个碳原子、含有1-2个氨基和1个羟基的烷醇链胺，所使用的烷醇链胺分子极性较大，与CO2的反应生成为离子型产物，在所使用的烷醇链胺和离子型反应产物的体系中更易结合生成离子键，CO2反应产物之间的离子键作用力大于产物与上层溶剂之间的分子作用力，使得该吸收剂在吸收CO2后快速自发地形成易于分离的液液两相，且所吸收的CO2富集在下层贫水液相，提高了吸收剂的CO2负荷，仅需将下层贫水液相送去再生塔，降低了再生溶液量和含水量，从而减少了水蒸发潜热和溶液升温显热，降低了吸收剂再生能耗。
所使用的富集剂在结构上，羟基位于主链的α碳上，且与主链上氨基的位置固定为2个碳原子，当碳原子数大于2时，烷醇胺为直链胺或具有空间位阻效应。与传统两相吸收剂中的亲脂的烷烃胺不同的是，主链结构上有羟基，易于形成分子间氢键，有利于提高胺吸收剂的亲水性和沸点，进而能够提高吸收剂稳定性。且所使用的烷醇链胺分子中，羟基与电负性大的氨基中的氮原子能形成分子内氢键，分子内氢键有利于维持分子的空间结构。而氢键是一种比离子键弱得多的静电吸引力，容易被一些外力，如加热、反应等破坏。当吸收CO2后，在氨基位点结合CO2发生反应，破坏了分子间羟基与氨基的氢键，所使用的烷醇链胺在分子间氢键和分子扩散作用下，逐渐达到液液平衡(即自发形成液液两相)。而传统两相吸收剂中的亲脂的烷烃胺吸收 CO2后，只能通过分子扩散作用，达到液液平衡。因而所使用的富集剂能够有效缩短吸收CO2后分相时间。
但分子结构中羟基数目过多，一方面，影响氨基作为电子受体与CO2反应，减少CO2吸收容量和富集剂中CO2富集程度；另一方面，烷醇胺中羟基数目过多，当吸收剂中水含量过高时，氢键作用力较大，在低CO2负荷下，由于反应产物含量较少，离子键作用力较小，不易发生液液分相。因此所使用的富集剂均是只含有1个羟基的烷醇链胺，通过优化配比，调控水中羟基、烷醇链胺中羟基和胺基的氢键作用，有利于在低CO2负荷下发生液液分相，从而有利于增大了两相吸收剂自发形成液液两相的分相负荷范围。此外，烷烃链过长会降低有机胺的亲水性，因此所使用的富集剂是含有2-4个碳原子的烷醇链胺。
优选的，按质量分数计，包括45-55％分相剂，20-25％富集剂，1-5％促进剂，余量为水。其中，促进剂在保证不影响两相吸收剂分层特性的前提下，具有提高CO2吸收过程传质速率的作用。
优选的，按质量分数计，包括40-60％分相剂，20-30％富集剂，余量为水。
优选的，所述分相剂选自二乙氨基乙醇、N,N-二甲基环己胺、N,N-二甲基丁胺、N-甲基苯胺中的一种或几种。
优选的，所述促进剂选自哌嗪、N-氨乙基哌嗪、N-羟乙基哌嗪、1-哌啶丙醇中的一种或几种。
本发明还提供一种快速自发分层的CO2富集型两相吸收剂，按质量分数计，包括50-60％分相剂，15-25％促进剂，余量为水；所述促进剂为哌嗪。哌嗪此处既作为CO2富集剂，同时也作为促进剂，保证吸收分层的特性，同时能够提高吸收传质速率，尤其适用于低CO2分压的烟气脱除。
优选的，所述分相剂选自二乙氨基乙醇、N,N-二甲基环己胺、N,N-二甲基丁胺、N-甲基苯胺中的一种或几种。
同现有技术相比，本发明的有益效果体现在：
(1)本发明中所提供的两相吸收剂在吸收CO2后能够自发分相，且CO2富集于下层液相，且下层液相为贫水液相，只需要将CO2富集的下层贫水液相送入再生塔再生，相比现有再生方式可以大幅度降低CO2捕集能耗。
(2)本发明中所提供的两相吸收剂吸收CO2后自发分相，分相时间较短为0.5-3min，且能够通过调整分相剂、富集剂的配比和吸收温度，实现分相比例和分相时间的可控调。
(3)本发明中所提供的两相吸收剂中的分相剂、富集剂和促进剂具有挥发性低、热稳定性高、抗降解性能强的优势。
(4)本发明中所提供的两相吸收剂自发形成液液两相的分相负荷范围较大，具体为0.93-3.60mol CO2/kg吸收剂。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
配制吸收剂：分别量取50g二乙氨基乙醇(DEEA)、25g乙醇胺(MEA) 和25g去离子水，均匀混合，配制成50wt.％DEEA+25wt.％MEA+25wt.％ H2O的吸收剂溶液100g，静置备用。
然后，在温度40℃、常压下吸收CO2，在不同CO2负荷下，吸收剂富液的分相比例、CO2负荷分布、CO2富集程度和分相时间如下表1所示。
其中表中负荷定义为：吸收剂中每kg胺和水所吸收的CO2的量mol；分相比例定义为：吸收剂富液吸收CO2后分相，下层液相占总液相的质量百分比；CO2富集度定义为：下层液相中吸收的CO2占总液相吸收CO2的摩尔百分比。
表1为实施例1合成的吸收剂不同CO2负荷下的性能参数
从表1可知，本实施例中的两相吸收剂自发形成液液两相的分相负荷为 1.68-3.37mol CO2/kg吸收剂。
实施例2
配制吸收剂：分别量取50g二乙氨基乙醇(DEEA)、25g羟乙基乙二胺 (AEEA)和25g去离子水，均匀混合，配制成50wt.％DEEA+25wt.％ AEEA+25wt.％H2O的吸收剂溶液100g，静置备用。
然后，在温度40℃、常压下吸收CO2，在不同CO2负荷下，吸收剂富液的分相比例、CO2负荷分布、CO2富集程度和分相时间如下表2所示。
表2为实施例2合成的吸收剂不同CO2负荷下的性能参数
从表2可知，本实施例中的两相吸收剂自发形成液液两相的分相负荷为 1.30-2.79mol CO2/kg吸收剂。
实施例3
配制吸收剂：分别量取50g二乙氨基乙醇(DEEA)、20g羟乙基乙二胺 (AEEA)、5g哌嗪(PZ)和25g去离子水，均匀混合，配制成50wt.％DEEA+20 wt.％AEEA+5wt.％PZ+25wt.％H2O的吸收剂溶液100g，静置备用。
然后，在温度40℃、常压下吸收CO2，在不同CO2负荷下，吸收剂富液的分相比例、CO2负荷分布、CO2富集程度和分相时间如下表3所示。
表3为实施例3合成的吸收剂不同CO2负荷下的性能参数
从表3可知，本实施例中的两相吸收剂自发形成液液两相的分相负荷为 1.70-3.33mol CO2/kg吸收剂。
实施例4
配制吸收剂：分别量取50g二乙氨基乙醇(DEEA)、25g哌嗪(PZ)和 25g去离子水，均匀混合，配制成50wt.％DEEA+25wt.％PZ+25wt.％H2O 的吸收剂溶液100g，静置备用。
然后，在温度40℃、常压下吸收CO2，在不同CO2负荷下，吸收剂富液的分相比例、CO2负荷分布、CO2富集程度和分相时间如下表4所示。
表4为实施例4合成的吸收剂不同CO2负荷下的性能参数
从表4可知，本实施例中的两相吸收剂自发形成液液两相的分相负荷为 0.98-3.03mol CO2/kg吸收剂。
实施例5
配制吸收剂：分别量取47g N,N-二甲基环己胺(DMCA)、23g 3-氨基-1- 丙醇(3AP)和30g离子水，均匀混合，配制成47wt.％DMCA+23wt.％(3AP) +25wt.％H2O的吸收剂水溶液100g，静置备用。
然后，在温度40℃、常压下吸收CO2，在不同CO2负荷下，吸收剂富液的分相比例、CO2负荷分布、CO2富集程度和分相时间如下表5所示。
表5为实施例5合成的吸收剂不同CO2负荷下的性能参数
从表5可知，本实施例中的两相吸收剂自发形成液液两相的分相负荷为 1.62-3.16mol CO2/kg吸收剂。
实施例6
配制吸收剂：分别量取49.42g N-甲基苯胺、24.95g N-甲基-2-羟基乙胺 (MAA)和25.63g离子水，均匀混合，配制成50wt.％N-甲基苯胺+25wt.％ MAA+25wt.％H2O的吸收剂水溶液100g，静置备用。
然后，在温度40℃、常压下吸收CO2，在不同CO2负荷下，吸收剂富液的分相比例、CO2负荷分布、CO2富集程度和分相时间如下表6所示。
表6为实施例6合成的吸收剂不同CO2负荷下的性能参数
从表6可知，本实施例中的两相吸收剂自发形成液液两相的分相负荷为 1.15-2.99mol CO2/kg吸收剂。
实施例7
配制吸收剂：分别量取50g二乙氨基乙醇(DEEA)、30g羟乙基乙二胺 (AEEA)和20g去离子水，均匀混合，配制成50wt.％DEEA+30wt.％ AEEA+20wt.％H2O的吸收剂溶液100g，静置备用。
然后，在温度40℃、常压下吸收CO2，在不同CO2负荷下，吸收剂富液的分相比例、CO2负荷分布、CO2富集程度和分相时间如下表7所示。
表7为实施例7合成的吸收剂不同CO2负荷下的性能参数
从表7可知，本实施例中的两相吸收剂自发形成液液两相的分相负荷为 1.33-2.98mol CO2/kg吸收剂。
实施例8
配制吸收剂：分别量取60g二乙氨基乙醇(DEEA)、20g羟乙基乙二胺 (AEEA)和20g去离子水，均匀混合，配制成60wt.％DEEA+20wt.％ AEEA+20wt.％H2O的吸收剂溶液100g，静置备用。
然后，在温度40℃、常压下吸收CO2，在不同CO2负荷下，吸收剂富液的分相比例、CO2负荷分布、CO2富集程度和分相时间如下表8所示。
表8为实施例8合成的吸收剂不同CO2负荷下的性能参数
从表8可知，本实施例中的两相吸收剂自发形成液液两相的分相负荷为 0.93-2.33mol CO2/kg吸收剂。
对比例1
配制吸收剂：分别量取30g乙醇胺(MEA)和70g去离子水，均匀混合，配制成30wt.％MEA的吸收剂溶液100g，静置备用。
然后，在温度40℃、常压下吸收CO2，在不同CO2负荷下，吸收剂富液的分相比例、CO2负荷分布、CO2富集程度和分相时间如下表9所示。
表9为对比例1的MEA吸收剂不同CO2负荷下的性能参数
本实施例中的MEA吸收剂不是两相吸收剂。
对比例2
配制吸收剂：分别量取468.76g二乙氨基乙醇(DEEA)、176.30g 1,4-丁二胺(BDA)，用去离子水定容至1L，均匀混合，配制成4mol/L DEEA+2mol/L BDA吸收剂水溶液1L，静置备用。
然后，在温度40℃、常压下吸收CO2，在不同CO2负荷下，吸收剂富液的分相比例、CO2负荷分布、CO2富集程度和分相时间如下表10所示。
表10为对比例2合成的吸收剂不同CO2负荷下的性能参数
从表10可知，本实施例中的两相吸收剂自发形成液液两相的分相负荷为 1.36-2.96mol CO2/kg吸收剂。
Claims (5)
1.一种快速自发分层的CO2富集型两相吸收剂，其特征在于，按质量分数计，包括30-60％分相剂，15-35％富集剂，0-25％促进剂，余量为水；
所述富集剂选自乙醇胺、羟乙基乙二胺、3-氨基-1-丙醇、N-甲基-2-羟基乙胺、乙基羟乙胺、异丙醇胺中的一种或几种；所述分相剂选自二乙氨基乙醇、N,N-二甲基环己胺、N,N-二甲基丁胺、N-甲基苯胺中的一种或几种。
2.根据权利要求1所述的快速自发分层的CO2富集型两相吸收剂，其特征在于，按质量分数计，包括45-55％分相剂，20-25％富集剂，1-5％促进剂，余量为水。
3.根据权利要求1所述的快速自发分层的CO2富集型两相吸收剂，其特征在于，按质量分数计，包括40-60％分相剂，20-30％富集剂，余量为水。
4.根据权利要求1所述的快速自发分层的CO2富集型两相吸收剂，其特征在于，所述促进剂选自哌嗪、N-氨乙基哌嗪、N-羟乙基哌嗪、1-哌啶丙醇中的一种或几种。
5.一种快速自发分层的CO2富集型两相吸收剂，其特征在于，按质量分数计，包括50-60％分相剂，15-25％促进剂，余量为水；所述促进剂为哌嗪；所述分相剂选自二乙氨基乙醇、N,N-二甲基环己胺、N,N-二甲基丁胺、N-甲基苯胺中的一种或几种。
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